矿用高压变频器中IGBT模块在阶跃脉冲下局部放电特性

2020-09-18王彦文冯琛陈鹏高志宣孙燕盈王乐

矿业科学学报 2020年5期

王彦文，冯琛，2，陈鹏，高志宣，孙燕盈，王乐

1.中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京 100083；2.美国俄亥俄州立大学高电压实验室，俄亥俄州哥伦布 43210

目前，矿用高压变频器在煤矿中的应用越来越广泛[1-4]，而大功率高耐压IGBT模块的可靠性与煤矿安全生产密切相关。通过检修拆解损坏的高压变频器发现，设备故障多是由于IGBT模块烧毁导致的，IGBT模块工作时内部发生局部放电、击穿和短路等现象是造成模块损坏的主要原因[6-7]。随着宽禁带材料IGBT功率模块的推广和普及，煤矿设备中的IGBT功率模块以更高的开关速度运行，其电压上升速率(dv/dt)高于100 kV/μs[8-10]。这样的开关电压速率产生的PWM方波脉冲上升沿斜率极高，可将其看作阶跃脉冲。在阶跃脉冲作用下，模块内部更可能发生局部放电现象(Partial Discharge，PD)使模块损坏，进而导致设备故障[7，11]。因此，阶跃脉冲对矿用电力电子设备中的电力电子模块的可靠性、煤矿生产的安全性具有重要影响，必须对其进行深入的前瞻性研究。

分析表明，采用宽禁带材料的IGBT模块的最弱绝缘点是陶瓷基板上的3种材料的交界处，该结点由陶瓷基板、铜板和硅胶组成。由于电场畸变，局部放电通常从铜板和陶瓷基板之间的边缘开始，然后传播到硅胶中[12-13]。放电会使硅胶绝缘材料分解，最终导致击穿。因此，有必要研究该部位的局部放电行为。但大多数硅胶的局部放电研究是通过棒-板或针-板电极模型完成的[14-15]，这种模型只能模拟硅胶的局部放电特性，其模型结构不能完全代表内部模块真实的绝缘结构，也没有考虑煤矿井下高温、潮湿等恶劣环境，不能作为高电压上升速率的IGBT模块绝缘设计的参考。

现有研究更多集中在电压上升速率不高于23 kV/μs的直流电压、交流电压或方波电压[16-20]。基于宽禁带材料模块电力电子开关模块中的硅胶绝缘材料会受到超高电压上升速率(高于50 kV/μs) 的阶跃脉冲电压的影响[21]，可能导致未知的局部放电机理。由于能够产生这种激励的脉冲发生器有限，对在超短电压上升时间的阶跃脉冲电压作用下的局部放电现象研究也很少。

为了解决上述问题，探究在超高斜率的阶跃脉冲下IGBT模块中的局部放电特性，通过模块结构、烧毁模块局部放电部位的研究和微观层面分析局部放电产生的原因，笔者提出了一种局部放电模型，解释了局部放电发生机理；基于单脉冲下的局部放电实验，研究了脉冲宽度和上升时间2个因素对局部放电的影响；提出了用于预测局部放电起始电压(Partial Discharge Initial Voltage，PDIV)的预测公式，并进行了验证；通过分析超短上升时间的阶跃脉冲信号激励下IGBT模块内部的局部放电引发机制，为矿用中低压电力电子模块的封装和绝缘设计提供参考。

1 IGBT模块内部结构和发生局部放电的位置

1.1 IGBT模块内部结构

IGBT模块内发生的局部放电现象是其内部结构和其承受的电压、电流、温度等环境因素共同作用的结果[6-7]。因此，需要对IGBT模块的内部结构进行分析。

经过拆解的、完好的IGBT模块封装内部结构如图1所示。其主要由三部分构成：陶瓷基板、铜排和用于绝缘屏蔽的附着在上层的硅胶绝缘材料[7]。

图1 IGBT模块封装内部结构Fig.1 Internal structure of IGBT module package

1.2 IGBT模块内部局部放电位置

对已损坏的IGBT模块进行拆解，发现IGBT模块发生击穿或局部放电的部位是陶瓷基板上3种材料的交界处(图2)，该结点由陶瓷基板、铜板和硅胶组成[22]。研究发现，IGBT模块运行过程中有大功率高压的PWM方波脉冲，特别是采用宽禁带材料的IGBT模块存在更高斜率的阶跃脉冲，这些脉冲是导致发生局部放电现象的原因[7]。由于电场畸变，局部放电通常从铜板和陶瓷基板之间的边缘开始，然后传播到硅胶中[12]。放电会导致硅胶绝缘材料分解，最终被击穿。

图2 局部放电发生部位Fig.2 Where partial discharge occurs

1.3 局部放电发生部位微观结构

由于局部放电发生在硅胶、陶瓷基板和铜板组成的交界处[22]，因此通过扫描电子显微镜(SEM)对该结构交界处进行观察。图3(a)为硅胶的微观结构，其由交联的弹性骨架、未交联的硅油和吸收的水分子组成[34]，表面质量比高，对水分子的亲和力强，已被广泛用作绝缘材料和干燥剂；图3(b)为SEM显示放大的材料交界的表面结构，使用烧制或化学蚀刻技术制造导电铜层，因此在铜表面会有几微米的凸出间隙。

硅胶绝缘材料框架结构和交界处的缝隙，导致在该点的绝缘较弱。当IGBT模块工作时，会产生超高斜率的脉冲，在脉冲的作用下该点容易发生局部放电现象。

图3 显微镜下局部放电常发生部位的材料微观结构Fig.3 Microstructure of materials at common sites under a microscope

2 IGBT模块内部的局部放电过程模型

根据显微镜结果，提出了一种局部放电过程模型(图4)，用于解释模块内交界处硅胶绝缘材料所产生的局部放电现象。由于可供观察的样品数量有限，本文所述的电路板样品只能代表在变频器或MMC中采用宽禁带材料的IGBT模块。

硅胶中的局部放电是由流体组分(硅油)中的气泡膨胀引发的，其膨胀受到弹性框架及其高密度电荷载流子陷阱的限制。硅胶中局部放电发生过程分4个阶段。

图4 局部放电发生过程Fig.4 Partial discharge process

(1) 阶段1：气泡形成。初始状态的气泡是通过预先存在的微小气泡(无法通过真空完全去除)和汽化水的膨胀产生的。阴极电场发射和负电性物质(水分子、杂质等)解离产生初始电子，该阶段中电子的平均自由程极短，未达到局部放电条件，所以难以启动局部放电。但在几百纳秒的脉冲电压下，电子电流会产生焦耳热。

(2) 阶段2：气泡膨胀。由于高密度的电荷陷阱，高能电子将被驱动并附着在气泡壁和陶瓷表面。重的正离子将被留下，并进一步增加阴极场强。由于初始气泡被拉长，外部电场随距离的增加而急剧减小，被俘获的电子与正离子之间的电场将明显高于外部电场，因此气泡内部的电场将与外部电场呈相反的方向。

(3) 阶段3：气泡中的反向放电。气泡内部的气压会随着气泡的膨胀而降低。如果内部电场Ein高于外部电场Eex，则会在捕获的电子和正离子之间产生电势差，触发气泡内部的反向放电。因此，测得的电流具有负极性。同时，由于激发状态下的离子自发衰减，可检测到光信号[27]。此外，由于电荷重新结合，内部电场相对于外部电场减小，放电现象被熄灭。

(4) 阶段4：电荷重组气泡破裂。在去除外部电压后，压力不平衡和固体结构的弹力将导致气泡破裂。

在整个过程中，硅胶内部所形成气泡的寿命为几微秒[23]。综上所述，推测该局部放电过程与一个脉冲阶段的对应关系如图5所示。基于本文提出的模型可得出，脉冲电压的上升时间将影响气泡形成(阶段1)和气泡膨胀(阶段2)。

图5 单个脉冲阶段电压与局部放电电流对应关系Fig.5 Single pulse phase corresponding to PD

图6 电压上升速率对气泡膨胀过程的影响Fig.6 Rise time effect on bubble expansion process

在较高的电压上升速率下，电压可在较短的时间超过PD起始的阈值静态电压，从而导致气泡成形的可能性更高。上升时间对气泡膨胀过程的影响如图6所示。如果激励电压具有较陡的上升沿，则阴极电场产生的初始电子更集中，气泡形状更长。电子横向扩散，电场失真严重，电子能量分布函数(Electron Energy Distribution Function，EEDF)将向高能量一侧移动。随着电场距离的增加，外部电场Eex迅速减小，内部电场Ein传导局部放电信号，导致PDIV降低40%～50%。

3 IGBT模块内部局部放电特性实验

3.1 实验平台搭建

为分析测试IGBT模块内部局部放电特性，搭建了模块内部局部放电实验平台，其实验原理如图7所示。

测试品为IGBT模块，将其放入法拉第笼中，用于防止噪声干扰。在实验系统中加入电源滤波、隔离变压器和共模扼流圈，用于限制由开关模块引起的传导和辐射EMI噪声。

HFCT—高频电流传感器；PMT—紫外探测仪；RL—限流电阻；RX—泄流电阻；RS—50 Ω的采样电阻图7 局部放电实验原理Fig.7 Partial discharge test system

脉冲发生器由光信号控制的10 kV SiC材料模块搭建[28]。脉冲发生器在4.8 kV内的上升速率可以达到120 kV/μs。根据不同的栅极控制信号，脉冲源生成具有不同脉冲宽度的单个脉冲或具有各种频率和占空比的重复脉冲。产生的脉冲上升时间可由栅极电阻控制。图8为使用的脉冲发生器产生的具有不同上升时间的重复脉冲激励和单脉冲激励。

图8 脉冲发生器产生的重复脉冲和单个脉冲Fig.8 Repeated pulses and single pulses produced by pulse generator

当局部放电现象发生时，会有声、光等现象，而紫外光线增强管(PMT)具有良好的抗干扰能力，可观测到发生局部放电所产生的光信号，因而选用PMT作为局部放电测试的第二传感器，用以校准所测信号是否为局部放电信号[29]。采用50 Ω采样电阻和200 MHz高频电流互感器(HFCT)同时测量电流，以获得局部放电脉冲电流。局部放电信号的检测分辨率为1 pC。图9为搭建的局部放电测试系统实验平台。

图9 局部放电测试系统实验平台Fig.9 Setup of partial discharge test system

3.2 实验流程

环境湿度和温度会干扰局部放电的发生。为模拟煤矿中IGBT模块真实的工作环境，实验前需控制环境湿度和温度与煤矿井下环境相同，并保证所有实验数据均在相同的湿度和温度环境下获得[32]。

实验前需初始化设备，设置单周期采样时间、采样频率和各采样通道量程等测试参数。通过调节高速数字示波器水平基准完成实验中的相位校准。实验时，接通电源，启动10 kV脉冲发生器；闭合断路器K1，使高压阶跃脉冲加在被测试品(IGBT模块电路)两端；测试时，利用紫外探测仪PMT、高压探头和高频电流传感器HFCT采集各项数据[33-34]，每次以50 V阶梯形式升高电压，观察是否产生局放信号；当发现局部放电信号后，同步采集电压和局部放电电流信号，记录实验的波形信息，并在后期对数据进行频域和时域分析。实验测试流程如图10所示。

图10 实验测试流程Fig.10 Flow chart of system multi-cycle test

4 局部放电实验数据及特性分析

4.1 单脉冲下局部放电信号

通过实验获得的单脉冲激励局部放电信号波形如图11所示。图11中浅蓝色信号为紫外探测仪PWT电压信号，绿色信号为高频电流传感器CT电流信号，深蓝色为施加的脉冲电压信号。由图11(a)可看出，在阶跃脉冲电压下，2个局部放电电流脉冲(虚线框内的绿色信号)在电压高电平和电压下降沿，分别为第1次和第2次局部放电电流脉冲；由图11(b)(c)可看出，2次局部放电电流信号的放大波形与图8所示的结果对应，验证了所提模型的正确性。每次局部放电电流的极性与电容性电流极性相反，但第1次局部放电的放电量和光效应幅度均大于第2次局部放电的放电量和光效应幅度。

图11 单脉冲激励局部放电信号波形Fig.11 PD results under single pulse voltage

4.2 脉冲上升时间对局部放电的影响

为分析脉冲的上升时间对局部放电的影响，实验中控制不同的脉冲宽度，测试并记录在不同电压上升时间下的局部放电起始电压(PDIV)数据。在不同脉冲宽度下，PDIV与上升时间之间的关系如图12所示。当脉冲宽度小于300 μs时，上升时间对局部放电的影响明显。在本文实验范围内，PDIV随上升时间的增加而线性增加，曲线的斜率随脉冲宽度的减小而增加。此外，随着电压上升时间增大，PDIV的偏差也会增大。

图12 PDIV受电压上升时间的影响Fig.12 PDIV affected by the voltage rise time

4.3 脉冲宽度对局部放电的影响

为分析脉冲宽度对局部放电的影响，实验测试了在不同上升时间的脉冲电压下脉冲宽度与PDIV的关系，如图13所示。PDIV随总体脉冲宽度的增加而下降；但随脉冲宽度的缩短，脉冲电压上升时间对PDIV的影响显著增强。当脉冲宽度不变，脉冲电压上升时间为100 ns时，PDIV下降了20%；而保持脉冲电压上升时间不变，调节脉冲宽度为20 μs时，PDIV下降了200%。但当脉冲宽度超过500 μs时，脉冲电压上升时间对PDIV的影响则不明显。

图13 PDIV与脉冲宽度的关系Fig.13 Relationship between the PDIV and the width pulse

当脉冲激励电压作用于试品两端时，并非立即发生局部放电现象，而是有一定的时间延迟(时滞)，这与脉冲的宽度相关。图14为不同脉冲宽度下时滞和表面电荷量的关系拟合曲线。时滞随着脉冲宽度的增加而增加，而表面电荷显示出不规则的变化模式。当脉冲宽度大于300 μs时，时滞的偏差会更大，表面电荷分布在20～680 pC内。

图14 不同脉宽下时滞和电荷量关系Fig.14 Apparent charge and time delay on different pulse width

上述现象可通过形成区域理论解释。当被测样品受到脉冲激励电压的应力时，产生初始电子，导致硅胶气泡内电子的雪崩。施加的脉冲激励电压必须大于静态启动电压Uth，且持续时间要大于统计时滞ts和形成时滞ta的总和，以使局部放电发生[27]。在脉冲激励电压下，通过施加电压，时间积分的“形成区域”在均匀或略微不均匀的场中保持恒定[16]。“形成区域”的面积计算公式为

(1)

式中，S为“形成区域”的面积；u(t)为施加的电压。

局部放电的单脉冲激励下的“形成区域”如图15所示。将施加的脉冲激励电压分成两部分：t1时间段脉冲激励电压增加的绿色区域S1和t2时间段脉冲激励静态电压的黄色区域S2。如果施加的电压超过局部放电起始阈值静态电压Uth，则该电压开始对电子传播产生影响。

图15 单脉冲下的局部放电“形成区域”Fig.15 “Forming area” of PD under the single pulse

随着脉冲宽度的增加，时间t2逐渐增大。因此，当脉冲宽度较大时，t2远大于t1，t2积分的面积S2远大于t1积分的面积S1，PDIV仅受脉冲宽度影响；当脉冲宽度较小时，面积S1约等于S2，PDIV则主要受上升时间的影响。例如，在脉冲宽度为20 μs的情况下，高电平平均时间延迟为4 μs，面积S1与S2接近，上升时间对PDIV具有显著影响。

4.4 PDIV的预测公式

上述实验验证了本文提出的局部放电过程模型的正确性，表明脉冲电压上升时间和脉冲宽度分别影响局部放电的起始电压。如果不通过复杂实验即可计算和预测PDIV，这将有利于研究人员和产品设计人员提前了解局部放电特性[35]。根据前面的讨论，在恒定脉冲宽度的情况下，脉冲上升时间对PDIV的影响是线性的。因此，提出预测局部放电起始电压方程为

UPDIV=fα(tw)tr+fβ(tw)=αtr+β

(2)

式中，UPDIV为不同脉冲上升时间和脉冲宽度下局部放电起始电压的平均值；tw和tr分别为脉宽时间和上升时间；α为曲线斜率；β为tw相关的曲线截距。

根据式(2)，局部放电起始电压和上升时间关系的拟合曲线如图16所示。由图16可知，所有的拟合曲线都与实验结果吻合。拟合曲线的曲线斜率α和截距β的值见表1。